第4章 電容式傳感器及其應(yīng)用

1、2022-3-71本章學(xué)習(xí)本章學(xué)習(xí)電容式電容式傳感器的傳感器的工作原理、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路及其工作原理、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用。應(yīng)用。2022-3-72 定義：將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量定義：將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。變化的傳感器。 應(yīng)用：位移、加速度、液位、振動(dòng)及濕應(yīng)用：位移、加速度、液位、振動(dòng)及濕度。度。2022-3-734.14.1 電容式傳感器的工作原理電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)形式2022-3-74 A極板相對(duì)覆蓋面；極板相對(duì)覆蓋面； d d 極板間距離；極板間距離；r r相對(duì)介電常數(shù)；相對(duì)介電常數(shù)；0 0真空介電常數(shù)；真空介電常數(shù)； 0 8.85410-1

2、2(F/m) 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。 = = 0 0 r r S0 rAACdd 一、工作原理一、工作原理由物理學(xué)可知，由兩平行板組成的平行板電容器，如由物理學(xué)可知，由兩平行板組成的平行板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為：果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為：d dA2022-3-75 請(qǐng)思考請(qǐng)思考：上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可上式中，哪幾個(gè)參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？以做成哪幾種類型的電容傳感器？ 0 rAACdd 兩平行板組成的平行板電容器，兩平行板組成的平行板電容器，電容傳感電容傳感器的基本理想公式為：器的基本理想公式為：2022-3-76 改

3、變改變A A、d d、 三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可三個(gè)參量中的任意一個(gè)量，均可使平板電容的電容量使平板電容的電容量C C 改變。改變。 固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類型的固定三個(gè)參量中的兩個(gè)，可以做成三種類型的電容傳感器。電容傳感器。 0 rAACdd 2022-3-77圖圖a a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1 1可以左右移動(dòng)，可以左右移動(dòng)，稱為動(dòng)極板。極板稱為動(dòng)極板。極板2 2固定不動(dòng)，稱為定極板。固定不動(dòng)，稱為定極板。圖圖b b是一個(gè)角位移式的結(jié)構(gòu)。極板是一個(gè)角位移式的結(jié)構(gòu)。極板1 1的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)而的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移旋轉(zhuǎn)一個(gè)

4、角位移 度時(shí)，兩極板的遮蓋面積度時(shí)，兩極板的遮蓋面積A A就減小，因而就減小，因而電容量也隨之減小。電容量也隨之減小。圖圖c c是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。2022-3-78可見(jiàn)，可見(jiàn)，增加極板寬度增加極板寬度b b，減小兩板間距減小兩板間距d d都可以提高都可以提高傳感器的靈敏度。但傳感器的靈敏度。但d d太小時(shí)，容易引起短路太小時(shí)，容易引起短路。此傳感器的靈敏度此傳感器的靈敏度K K可用下式求得可用下式求得dbddCKxx對(duì)于對(duì)于圖圖a a平板形位移電容傳感器，當(dāng)動(dòng)極板移

5、動(dòng)平板形位移電容傳感器，當(dāng)動(dòng)極板移動(dòng)x x后：后：axCdxabCx1)(0C C0 0初始電容值初始電容值靈敏度為常數(shù)靈敏度為常數(shù)線性關(guān)系線性關(guān)系2022-3-79 變面積式電容傳感器的輸出特性是變面積式電容傳感器的輸出特性是線性線性的，的，靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測(cè)直線位靈敏度是常數(shù)。這一類傳感器多用于檢測(cè)直線位移、角位移、尺寸等參量。移、角位移、尺寸等參量。 你能否畫(huà)出變面積式電容傳感器的輸出特性你能否畫(huà)出變面積式電容傳感器的輸出特性曲線曲線?2022-3-710 當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物體作用引起位移時(shí)，改變了兩當(dāng)動(dòng)極板受被測(cè)物體作用引起位移時(shí)，改變了兩極板之間的距離極板之間的距離d

6、 d，從而使電容量發(fā)生變化。，從而使電容量發(fā)生變化。 2 2、變極距（、變極距（d d）式電容傳感器）式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖極板極板1 1為定極板為定極板極板極板2 2為動(dòng)極板為動(dòng)極板2022-3-711電容量電容量C Cx x與與d d不是不是線性關(guān)系，其靈敏線性關(guān)系，其靈敏度也不是常數(shù)。度也不是常數(shù)。 從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)從圖中可以看到，為了提高靈敏度，應(yīng)使當(dāng)d d0 0小些還是大些？當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極小些還是大些？當(dāng)變極距式電容傳感器的初始極距距d d0 0較小時(shí)，它的測(cè)量范圍變大還是變?。枯^小時(shí)，它的測(cè)量范圍變大還是變小？0 rAACd d 由電容

7、的表達(dá)式：由電容的表達(dá)式：2022-3-712 當(dāng)當(dāng)d d0 0較小時(shí)，該種類型的傳感器較小時(shí)，該種類型的傳感器靈敏度較高靈敏度較高，微，微小的位移即可產(chǎn)生較大的電容變化量。小的位移即可產(chǎn)生較大的電容變化量。 實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距實(shí)際使用時(shí)，總是使初始極距d0 0盡量小些，以提盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來(lái)了變極距式電容器的高靈敏度，但這也帶來(lái)了變極距式電容器的行程較行程較小小的缺點(diǎn)。的缺點(diǎn)。 故該類傳感器只適用于故該類傳感器只適用于微米微米數(shù)量級(jí)的位移測(cè)量。數(shù)量級(jí)的位移測(cè)量。結(jié)論：結(jié)論：2022-3-713 因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極因?yàn)楦鞣N介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)

8、不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。板間插入不同介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量也就不同。幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)幾種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)2022-3-714 根據(jù)上表，根據(jù)上表，分析分析不同介質(zhì)對(duì)變介電常數(shù)電容不同介質(zhì)對(duì)變介電常數(shù)電容器的影響。器的影響。請(qǐng)問(wèn)：請(qǐng)問(wèn)：在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的在電容器兩極板間插入干的紙和潮濕的紙時(shí)，哪一種情況下的電容量大？可以用于測(cè)紙時(shí)，哪一種情況下的電容量大？可以用于測(cè)量什么非電量？量什么非電量？2022-3-715根據(jù)各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，檢測(cè)液面高度。根據(jù)各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，檢測(cè)液面高度。下圖為電容液位計(jì)，同心下圖為電容液位

9、計(jì)，同心圓柱狀極板，插入液體深圓柱狀極板，插入液體深度度h h，兩極板間構(gòu)成電容，兩極板間構(gòu)成電容式傳感器。式傳感器。12ccc0 rAACd d 根據(jù)：根據(jù)：輸出電容輸出電容C C與與液面高度液面高度h h成線性關(guān)系成線性關(guān)系 。2022-3-716 當(dāng)液位升高時(shí)，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之當(dāng)液位升高時(shí)，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大，因而電容量增大。反之當(dāng)液位下降，加大，因而電容量增大。反之當(dāng)液位下降，值值減小，電容量也減小。減小，電容量也減小。 所以，可通過(guò)兩電極間的電容量的變化來(lái)測(cè)量所以，可通過(guò)兩電極間的電容量的變化來(lái)測(cè)量液位的高低。電容液位計(jì)的靈敏度主要取決于液位的高低。電容液位計(jì)的

10、靈敏度主要取決于兩兩種介電常數(shù)的差值種介電常數(shù)的差值。 2022-3-717 在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度，減在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高傳感器的靈敏度，減小非線性，常常把傳感器做成小非線性，常常把傳感器做成差動(dòng)形式差動(dòng)形式。變極距式差變極距式差動(dòng)電容器動(dòng)電容器 旋轉(zhuǎn)形差旋轉(zhuǎn)形差動(dòng)電容器動(dòng)電容器 圓柱形差圓柱形差動(dòng)電容器動(dòng)電容器 2022-3-718如圖如圖a)，中間的極板為動(dòng)極板，上下兩塊，中間的極板為動(dòng)極板，上下兩塊為定極板。為定極板。 當(dāng)動(dòng)極板向上移動(dòng)當(dāng)動(dòng)極板向上移動(dòng)x x距離后，一邊的間隙距離后，一邊的間隙變?yōu)樽優(yōu)閐 d - -x x，而另一邊則為，而另一邊則為d d + +x x。

11、電容。電容C C1 1和和C C2 2成差動(dòng)變化，即其中一個(gè)電容量增加，而成差動(dòng)變化，即其中一個(gè)電容量增加，而另一個(gè)電容量則相應(yīng)減小。將另一個(gè)電容量則相應(yīng)減小。將C C1 1、C C2 2接成差接成差動(dòng)形式后，能使靈敏度提高一倍。動(dòng)形式后，能使靈敏度提高一倍。請(qǐng)思考請(qǐng)思考：我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了哪些差動(dòng)形式？：我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了哪些差動(dòng)形式？2022-3-7192022-3-7202022-3-721 轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)將轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)將微小的電容變化微小的電容變化轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電壓、電壓、電流或頻率電流或頻率等信號(hào)。等信號(hào)。 電容轉(zhuǎn)換電路有電橋電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算電容轉(zhuǎn)換電路有電橋電路、調(diào)頻電路、運(yùn)算放大器式電路

12、、二極管雙放大器式電路、二極管雙T T型交流電橋等。型交流電橋等。被測(cè)非電量被測(cè)非電量電容變化電容變化電量電量電容式電容式傳感器傳感器轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路2022-3-722將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個(gè)臂將電容傳感器接入交流電橋作為電橋的一個(gè)臂( (另一臂為固定電容另一臂為固定電容) )或兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可或兩個(gè)相鄰臂，另兩個(gè)臂可以是電阻或電容或電感，也可以是變壓器的兩個(gè)以是電阻或電容或電感，也可以是變壓器的兩個(gè)二次線圈。二次線圈。2022-3-723、單臂接法的橋式測(cè)量電路（圖、單臂接法的橋式測(cè)量電路（圖a a） 電容電容C C1 1、C C2 2、C C3 3、C Cx x構(gòu)成電

13、橋的四臂，構(gòu)成電橋的四臂，C CX X為為電容傳感器電容傳感器, ,交流電橋平衡時(shí)有：交流電橋平衡時(shí)有：C C1 1C C2 2C Cx xC C3 3此時(shí)，此時(shí)， U U0 0當(dāng)當(dāng)C Cx x改變時(shí)，改變時(shí)，U U0 000，有輸出電壓。，有輸出電壓。 2022-3-724在圖在圖b)b)的電路中，接有差動(dòng)電容傳感器，其的電路中，接有差動(dòng)電容傳感器，其空載輸出電壓為：空載輸出電壓為： UCCUCCCCCCCCUCCCCUxxxx0000021210由于電橋輸出的電壓與電源電壓成比例，因由于電橋輸出的電壓與電源電壓成比例，因此要求電源電壓波動(dòng)極小，需要采用穩(wěn)幅、穩(wěn)此要求電源電壓波動(dòng)極小，需要采

14、用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施。頻等措施。2022-3-725 調(diào)頻電路將電容式傳感器作為調(diào)頻電路將電容式傳感器作為L(zhǎng)CLC振蕩器諧振回路振蕩器諧振回路的一部分的一部分，當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容C Cx x發(fā)生變化，發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率就使振蕩器的頻率f 產(chǎn)生相應(yīng)的變化。產(chǎn)生相應(yīng)的變化。 2022-3-726當(dāng)被測(cè)量變化使傳感器電容改變時(shí)，振蕩器當(dāng)被測(cè)量變化使傳感器電容改變時(shí)，振蕩器的振蕩頻率隨之改變，的振蕩頻率隨之改變， 即即振蕩器頻率受傳感器電容所調(diào)制振蕩器頻率受傳感器電容所調(diào)制。 調(diào)頻電路的靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。調(diào)頻電路的靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。LCf21調(diào)頻振蕩器的

15、頻率為：調(diào)頻振蕩器的頻率為： 振蕩回路的電感振蕩回路的電感振蕩回路總電容振蕩回路總電容2022-3-727請(qǐng)思考請(qǐng)思考：電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器的調(diào)頻電路有何區(qū)別？傳感器的調(diào)頻電路有何區(qū)別？式中哪些量是變量？式中哪些量是變量？2022-3-728 將電容器接入開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為將電容器接入開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為的運(yùn)算放大電路的運(yùn)算放大電路中，作為電路的反饋組件。中，作為電路的反饋組件。 圖中圖中U U是交流電源電壓，是交流電源電壓，C C是固定電容，是固定電容，C Cx x是是傳感器電容，傳感器電容，U Uo o是輸出信號(hào)電壓。是輸出信號(hào)電壓。 傳感器傳感器電容電

16、容2022-3-729UCCUCjCjUxxO11OUCUdA 由理想放大器的工作原理可得：由理想放大器的工作原理可得：結(jié)論結(jié)論：從原理上保證了：從原理上保證了變極距型變極距型電容式傳感器的電容式傳感器的線性線性。最大特點(diǎn)最大特點(diǎn)：能克服變極距型電容傳感器的非線性。：能克服變極距型電容傳感器的非線性。2022-3-730四、二極管四、二極管T T型網(wǎng)絡(luò)型網(wǎng)絡(luò)當(dāng)電源處于正半周時(shí)當(dāng)電源處于正半周時(shí): :VDVD2 2導(dǎo)通，導(dǎo)通，VDVD1 1截止，電截止，電容容C Cl l經(jīng)經(jīng)VDVD2 2迅速充電至迅速充電至電壓電壓E E，電源經(jīng)，電源經(jīng)R R1 1向負(fù)向負(fù)載電阻載電阻R RL L供電，與此供電

17、，與此同時(shí)，電容同時(shí)，電容C C2 2經(jīng)經(jīng)R R2 2和和R RL L放電，流經(jīng)放電，流經(jīng)R RL L的電流的電流 為這兩電流之和。為這兩電流之和。Li 這種雙這種雙T T型充放電網(wǎng)絡(luò)是脈沖式測(cè)量電路的一種形式，型充放電網(wǎng)絡(luò)是脈沖式測(cè)量電路的一種形式，其基本原理是利用其基本原理是利用電容的充放電電容的充放電。2022-3-731如果二極管如果二極管VDVD1 1和和VDVD2 2具有相同的特性，且具有相同的特性，且C C1 1C C2 2，R R1 1R R2 2，則兩電流大小相等，方向，則兩電流大小相等，方向相反，即流過(guò)相反，即流過(guò)R RL L的平均電流為零。的平均電流為零。那么那么C C1

18、 1、C C2 2的任何變化都將使的任何變化都將使R RL L上有電流上有電流輸出。輸出。2022-3-7322022-3-7332022-3-734優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，能在惡劣的環(huán)境條件下工作；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，能在惡劣的環(huán)境條件下工作；本身發(fā)熱影響小，溫度穩(wěn)定性好；本身發(fā)熱影響小，溫度穩(wěn)定性好；需要的作用能量??；解決輸入能量低的信號(hào)的測(cè)量。需要的作用能量??；解決輸入能量低的信號(hào)的測(cè)量?？色@得較大的相對(duì)變化量；可獲得較大的相對(duì)變化量；動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)?？蓪?shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)。缺點(diǎn)：

19、缺點(diǎn)：輸入阻抗高，負(fù)載能力差；輸入阻抗高，負(fù)載能力差；輸出特性非線性；輸出特性非線性；寄生電容的影響。寄生電容的影響。2022-3-735電容器的容量受三個(gè)因素影響，電容器的容量受三個(gè)因素影響， 即：即：極距極距x、相對(duì)面積、相對(duì)面積A 和極間介電常數(shù)和極間介電常數(shù) 。 固定其中兩個(gè)變固定其中兩個(gè)變 量，電容量量，電容量C 就是另一個(gè)變量的就是另一個(gè)變量的一元函數(shù)。一元函數(shù)。 只要想辦法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、只要想辦法將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過(guò)測(cè)量電容量這個(gè)電介電常數(shù)的變化，就可以通過(guò)測(cè)量電容量這個(gè)電參數(shù)來(lái)達(dá)到非電量電測(cè)的目的。參數(shù)來(lái)達(dá)到非電量電測(cè)的目

20、的。 2022-3-7361 1電容式應(yīng)變計(jì)電容式應(yīng)變計(jì) 在被測(cè)量的固定點(diǎn)上，在被測(cè)量的固定點(diǎn)上，裝兩個(gè)薄而低的拱弧，裝兩個(gè)薄而低的拱弧，方形電極固定在弧的中方形電極固定在弧的中央，兩個(gè)拱弧的曲率略央，兩個(gè)拱弧的曲率略有差別。有差別。當(dāng)兩固定點(diǎn)受壓時(shí)變換當(dāng)兩固定點(diǎn)受壓時(shí)變換電容值將減小（極間距電容值將減?。O間距增大）。增大）。 2022-3-7372 2電容測(cè)厚儀電容測(cè)厚儀 如果總電容量如果總電容量C C作為交流電橋的一個(gè)臂，電容的變化將引起作為交流電橋的一個(gè)臂，電容的變化將引起電橋的不平衡輸出，經(jīng)過(guò)放大、檢波、濾波，最后在儀表電橋的不平衡輸出，經(jīng)過(guò)放大、檢波、濾波，最后在儀表上顯示出帶材的厚度。上顯示出帶材的厚度。把兩塊極板用導(dǎo)把兩塊極板用導(dǎo)線連起來(lái)就成為線連起來(lái)